光電耦合器的電流傳輸比參數測試設計

劉 杰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

光電耦合器作為一種光電隔離的器件,主要由三部分組成，發光器件、光接收器件以及兩者之間的耐電壓擊穿能力強的電介質透明絕緣材料。通常發光器件為紅外LED，光接收器件為光控晶閘管或光敏三級管。當有電流流入發光元件LED時會使LED燈發光，光透過透明絕緣材料被光接收器件接收后產生電流輸出，從而實現以光為媒介電信號的隔離傳輸[1]。由于它以光的形式傳輸直流或交流信號，所以具有較強的抗EMI干擾特性和電流電壓隔離能力。因此，光電耦合器被廣泛應用于開關電路、級間耦合、電氣隔離、遠距離信號傳輸等。本文從變頻空調實際應用出發，介紹了光耦主要參數，設計了一種電流傳輸比的測試方法。

1 光電耦合器參數介紹及在空調器中的應用

光電耦合器具有體積小、無觸點、寬工作溫度、輸入輸出電隔離、抗干擾等優點[2]。光電耦合器的發光器件引腳為信號的輸入端，光接收器件為信號的輸出端，輸入端的電信號使得發光器件發光，光接收器件受到光照后在光敏效應下產生電流輸出。常見通用型光耦的內部電路如圖1所示。其中光電耦合器的重要參數電流傳輸比（CTR），通常用直流電流傳輸比來表示,在輸出管的工作電壓保持恒定時，它等于集電極電流與正向電流的百分比，即。以PC817X2NIP0F型號為例，其電流傳輸比允許范圍為（130～300）%，當CTR較小時需要較大的正向電流才能正常控制占空比，但較大的正向電流會增大光耦功耗,而CTR較大時，當負載發生突變時容易誤觸發[3]。所以CTR參數的選擇在光電耦合器的應用中非常重要，見表1。

表1 光電耦合器PC817X2NIP0F的主要參數

圖1 通用型光耦的內部電路

在變頻空調器的電控設計中室內外機之間不共地，信號傳輸時需要隔離。所以就采用了四顆PC817光電耦合器進行信號的隔離。由于使用的PC817電流傳輸比CRT不高，首先需要用三極管放大輸入電流以便提高輸出電流能力。

采用串行通訊標準通訊的室內外機，發送、接收的數據傳輸的最長距離取決于傳輸的電氣性能和傳送速率。根據RS232C標準，在源碼畸變4 %下，最大傳輸距離為15.24 m。實際應用中，家用空調器室內外機的通訊連接線較短，一般為（2.5～4）m，而多聯機的通訊線長則可能大于15 m。根據串行通訊中標準脈寬的10/16以上才認為有效，因此一定要保證CRT在極小偏差130 %下，接收端單個bit高低電平寬度要在發送端單個bit高低電平寬度的10/16以上。以1 200 bps為例，標準脈寬是833 us，則最小高低電平脈寬是521 us。實驗用樣機的的通訊速率為1 200 bps，各種工況下測試接收端單個bit的高低電平最小寬度為546 us，符合應用要求。

在變頻空調器室內外機通訊傳輸中為提高通訊質量，采用光電耦合器PC817對內外機的接收、發送進行電氣隔離，可有效抑制地線干擾、減少交流阻抗、增大傳輸電流。其次，在環境溫度大于40 ℃的高溫工況下光耦CTR會進一步變小，需確保CRT在極小限偏差130 %時通訊不丟包、不畸變。

2 典型電流傳輸比參數測試方法分析

傳統電流傳輸比測試方法：在光耦的兩側分別接可調電阻、可調直流電源和電流表，改變電阻值和電壓大小來改變光耦兩側電流值大小，通過電流表測量光耦兩側的電流值，然后計算光耦的電流傳輸比，如圖2。

圖2 現有光耦電流傳輸比測試電路示意圖

這種方法直接測量輸入輸出電流值確實能夠測試光耦的電流傳輸比，但是存在測試誤差、計算誤差、測試不夠精確等不足；使用兩塊電流表表頭使得測試成本較高；人工調節電壓及電阻值而沒有保護功能，可能造成測試過程中對芯片的損傷，而且效率較低，不適用于大批量光耦電流傳輸比測試工作。一般的，電流傳輸比的測試條件為保持輸出電壓固定為5 V，正向輸入電流調整為5 mA左右。

3 新型電流傳輸比參數測試設計

對比傳統測試方法設計了一種新型的光耦電流傳輸比智能測試裝置，該系統結構如圖3所示：主要包括芯片接口、測試電路、采樣電路、微控制器、顯示模塊和供電模塊。其中芯片接口為測試裝置與待測光電耦合器芯片的接口部分，可依據光電耦合器的封裝形式設計貼片或插件接口；測試電路負責改變輸入輸出電壓或電阻值，調整光耦兩側的電流值；采樣電路負責精確地檢測光耦兩側電流值的大小；微控制器負責數據接收、處理及發送，根據采樣模塊檢測得到的電流值，計算得到光耦的電流傳輸比，并實時的傳送給顯示模塊，而且能夠根據電流值的大小控制供電模塊的開關以保護光耦芯片；顯示模塊負責實時準確的顯示光耦的電流傳輸比；供電模塊負責向各模塊提供正確的電壓，響應主控制器的保護信號。

圖3 新型光耦電流傳輸比測試裝置系統結構圖

測試及采樣電路如圖4所示，測試電路由可調電阻R2、R3和穩壓電源V1、V2組成，通過調節可調電阻阻值的大小或電源電壓，可以改變光耦兩側的輸入電流和輸出電流；采樣電路由采樣電阻R1和R4、放大器U1-A和U2-A、分壓電阻、濾波RC等組成，輸入、輸出電流流經采樣電阻產生壓降，此壓降經過分壓電阻輸入到放大器正、負極，經過放大器產生電壓信號并輸入到微控制器，微控制器結合采樣電阻大小，計算得到電流值。

為避免誤操作或電路故障導致輸入電流超出正向峰值電流IFP或輸出電壓超出反向擊穿電壓損壞被測光耦芯片。顧當檢測到輸入電流值超出設定閥值時，微控制器產生保護控制信號，控制斷開電壓源保護光耦芯片。

圖4中，光耦的輸入電壓UIS1和輸入電流IIS1滿足如下（1）～（4）關系式：

圖4 新型光耦電流傳輸比測試裝置電路

式中：

U1-A-—運算放大器U1-A負極的電壓；

U1-A+—運算放大器U1-A正極的電壓；

U1-Aout—運算放大器U1-A輸出端的電壓。

光耦的輸出電壓UIS2和輸出電流IIS2滿足如下（5）～（8）關系式：

式中：

U2-A-—運算放大器U2-A負極的電壓；

U2-A+—運算放大器U2-A正極的電壓；

U2-Aout—運算放大器U2-A輸出端的電壓。

測試電路中可調電阻阻值的調節即可采用手動方式，也可以通過微控制器控制自動調節，如圖5所示。無論采用哪種調節方式，微控制器都能夠根據電流值大小判斷是否產生光耦保護信號。微控制器檢測到光耦兩側電流，首先判斷光耦性能的好壞，然后調節可調電阻阻值產生不同的輸入、輸出電流，然后計算電流傳輸比并通過顯示器實時顯示。

圖5 供電電壓可調的測試電路示意圖

4 結束語

本文介紹了光電耦合器的主要參數，在空調器室內外機通訊中的應用，分析了電流傳輸比參數的傳統測試方法的缺點，并設計了一種自動化測試方法。此方法提高了光耦電流傳輸比的測試效率和測試精度，并降低了測試成本，適用于大批量光耦電流傳輸比測試工作。